動態(tài)地物仿真目標(biāo)發(fā)生器電控系統(tǒng)

李載峰， 李俊霖

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引 言

動態(tài)地物仿真系統(tǒng)用于完成機(jī)載光電偵查平臺捕獲與動態(tài)跟蹤精度室內(nèi)檢測，其原理是利用目標(biāo)發(fā)生器模擬待捕獲目標(biāo)，與仿真系統(tǒng)中的其它設(shè)備配合模擬出現(xiàn)實目標(biāo)的運動特性，機(jī)載光電偵查平臺對目標(biāo)發(fā)生器發(fā)出的模擬目標(biāo)完成捕獲和跟蹤，并給出實時的方位角α′與俯仰角β′，即通過方位角與俯仰角描繪出模擬目標(biāo)的空間位置，而目標(biāo)發(fā)生器則同時給出模擬目標(biāo)的方位角α與俯仰角β作為真值。通過公式計算就可以得到機(jī)載平臺的跟蹤精度［1］。

目標(biāo)發(fā)生器作為動態(tài)地物仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，用于產(chǎn)生仿真背景下的待捕獲模擬目標(biāo)，并驅(qū)動目標(biāo)按設(shè)定的運動軌跡運動，同時，實時輸出模擬目標(biāo)的方位角α與俯仰角β作為理論真值，文中主要介紹目標(biāo)發(fā)生器電控系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 目標(biāo)發(fā)生器整體設(shè)計

目標(biāo)發(fā)生器的設(shè)計要求是模擬一個無窮遠(yuǎn)的待捕獲目標(biāo)，目標(biāo)的運動特性是沿空間圓周做向心轉(zhuǎn)動的兩維運動，并保證光學(xué)系統(tǒng)的出射光線始終指向空間坐標(biāo)系的原點，即被檢機(jī)載偵測平臺光學(xué)系統(tǒng)的主點，其空間運動軌跡原理如圖1所示。

圖1 目標(biāo)運動特性原理圖

基于目標(biāo)運動特性的需求設(shè)計目標(biāo)發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 目標(biāo)發(fā)生器組成原理示意圖

影像投射系統(tǒng)發(fā)射平行光，用于模擬無窮遠(yuǎn)處待捕獲的目標(biāo)，根據(jù)設(shè)計要求的目標(biāo)運動特性，目標(biāo)發(fā)生器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計為兩自由度的回轉(zhuǎn)運動機(jī)構(gòu)。影像投射系統(tǒng)安裝在弧形回轉(zhuǎn)運動機(jī)構(gòu)上，可以沿著弧形導(dǎo)軌做勻速、勻變速圓周運動，而弧形導(dǎo)軌整體圍繞水平回轉(zhuǎn)軸系機(jī)構(gòu)相對于地面做圓周運動，兩個圓周運動合成的結(jié)果就是影像投射系統(tǒng)相對地面做圖1所示的運動。

根據(jù)目標(biāo)發(fā)生器使用要求，電控系統(tǒng)主要實現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動和反饋角度信息的功能，設(shè)計中影像投射系統(tǒng)和水平軸系回轉(zhuǎn)均由力矩電機(jī)驅(qū)動，電控系統(tǒng)通過伺服控制驅(qū)動兩力矩電機(jī)，保持影像投射系統(tǒng)按照設(shè)定的軌跡運行，同時，電控系統(tǒng)實時采集影像投射系統(tǒng)空間位置的方位角和俯仰角。

2 電控系統(tǒng)硬件組成

目標(biāo)發(fā)生器電控系統(tǒng)由中央控制器、接口電路、數(shù)字采集卡、電機(jī)驅(qū)動器、圓形光柵角位置傳感器、力矩電機(jī)等單元組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示［2－3］。

圖3 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電控系統(tǒng)中線性電源和隔離變壓器實現(xiàn)電壓變換，將220V交流電轉(zhuǎn)換成電控系統(tǒng)所需的各種電壓；兩個力矩電機(jī)驅(qū)動器接收電機(jī)控制卡的控制信號，并驅(qū)動相應(yīng)的力矩電機(jī)帶動設(shè)備運轉(zhuǎn)；位置傳感器采用圓形光柵角位置傳感器，傳感器采集影像投射系統(tǒng)的方位角和俯仰角，并將角位置信息通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸至中央控制器；中央控制器是電控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其組成包括工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和電機(jī)控制卡，電機(jī)控制卡是伺服控制的輸出端，輸出兩個力矩電機(jī)的PWM控制信號，數(shù)據(jù)采集卡接收位置傳感器返回的角位置信息，將其傳輸至工控機(jī)完成數(shù)據(jù)處理，工控機(jī)結(jié)合系統(tǒng)軟件實現(xiàn)電控系統(tǒng)的綜合控制功能。

電控系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵是伺服系統(tǒng)，本設(shè)計中伺服系統(tǒng)采用位置速度雙回路控制，系統(tǒng)初始狀態(tài)根據(jù)初始參數(shù)設(shè)置驅(qū)動電機(jī)，根據(jù)位置傳感器的返回值計算出位置和速度參數(shù)，以位置和速度參數(shù)作為伺服系統(tǒng)的輸入，進(jìn)而推算出下一時刻系統(tǒng)輸出的PWM控制信號，完成電機(jī)驅(qū)動。伺服系統(tǒng)控制框圖如圖4所示［4－6］。

圖4 伺服系統(tǒng)控制框圖

3 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計

目標(biāo)發(fā)生器電控系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)兩個功能：一是根據(jù)初始設(shè)定的參數(shù)驅(qū)動兩個力矩電機(jī)實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運動，并通過伺服系統(tǒng)連續(xù)驅(qū)動力矩電機(jī)，使模擬目標(biāo)最大程度擬合理論軌跡運動；另一功能是采集角位置傳感器實時返回的影像投射系統(tǒng)方位角和俯仰角數(shù)據(jù)，將其作為輸入反饋至伺服系統(tǒng)，并將方位角和俯仰角數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而在顯示器上完成顯示，電控系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 電控系統(tǒng)軟件流程圖

軟件啟動后，伺服系統(tǒng)以初始參數(shù)設(shè)置作為原始輸入，結(jié)算出輸出值并驅(qū)動力矩電機(jī)工作，機(jī)構(gòu)整體啟動。軟件查詢采集卡是否采集到角位置傳感器返回值，沒有返回數(shù)據(jù)，則繼續(xù)查詢；有返回數(shù)據(jù)，則讀取方位角和俯仰角的當(dāng)前值，將其存儲至指定數(shù)據(jù)庫中，并更新顯示器的顯示值，以返回的位置數(shù)據(jù)和解算出的速度數(shù)據(jù)作為新的輸入啟動伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)輸出驅(qū)動力矩電機(jī)實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的連續(xù)運動，軟件繼續(xù)查詢數(shù)據(jù)采集卡狀態(tài)，準(zhǔn)備接受新的返回數(shù)據(jù)。

電控系統(tǒng)軟件結(jié)合高效的伺服驅(qū)動系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了目標(biāo)發(fā)生器電機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集，使影像投射系統(tǒng)能夠按照理論運動軌跡完成運動。

4 結(jié) 語

動態(tài)地物仿真系統(tǒng)目標(biāo)發(fā)生器現(xiàn)階段已經(jīng)投入正式使用，可靠、穩(wěn)定的電控系統(tǒng)有效地保證了影像投射系統(tǒng)的運動特性，從而成功實現(xiàn)了機(jī)載光電偵查平臺捕獲與動態(tài)跟蹤精度室內(nèi)檢測。

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